专利名称：掺杂聚合物太阳能电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种掺杂聚合物太阳能电池及其制备方。
背景技术：
1982年，Weinberger等研究了聚乙炔的光伏性质,制造出了第一个具有真正意义上的太阳能电池，但是当时的光电转换效率极低(10_3% )。紧接着，Glenis等制作了各种聚噻吩的太阳能电池，当时都面临的问题是极低的开路电压和光电转换效率。直到1986年，C. ff. Tang等首次将p型半导体和n型半导体引入到双层结构的器件中，才使得光电流得到了极大程度的提高，从此以该工作为里程碑，有机聚合物太阳能电池蓬勃发展起来。1992年Sariciftci 等发现2-甲氧基-5-(2-乙基-己氧基)-1，4_苯乙(MEH-PPV)与复合体系中存在快速光诱导电子转移现象，引起了人们的极大兴趣，而在1995年，Yu等·用MEH-PPV与C60衍生物PCBM混合作为活性层制备了有机聚合物体异质结太阳能电池。器件在20mW/em2430nm的单色光照射下，能量转换效率为2. 9%。这是首个基于聚合物材料PCBM受体制备的本体异质结太阳能电池，并提出了复合膜中互穿网络结构的概念。至此，本体异质结结构在聚合物太阳能电池中的应用得到了迅速的发展。这种结构也成为目前人们普遍采用的有机聚合物太阳能电池结构。聚合物太阳能电池的工作原理主要分为四部分(I)光激发和激子的形成；(2)激子的扩散；⑶激子的分裂；⑷电荷的传输和收集。首先，共轭聚合物在入射光照射下吸收光子，电子从聚合物最高占有轨道(HOMO)跃迁到最低空轨道(LUMO)，形成激子，激子在内建电场的作用下扩散到给体/受体界面处分离成自由移动的电子和空穴，然后电子在受体相中传递并被阴极收集，空穴则通过给体相并被阳极收集，从而产生光电流；这就形成了一个有效的光电转换过程。研究表明，在聚合物中电子的迁移率要远低于空穴的迁移率，加之载流子产生的位置使得电子在聚合物太阳能电池中的传输距离长于空穴的传输距离；因此聚合物太阳能电池中电子向阴极电极处的传输是十分困难的。这将导致大量的载流子在传输过程中复合消失，不会对光生电流有任何的贡献，严重的影响了聚合物电池的光电转换效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以提高光电转换效率的掺杂聚合物太阳能电池。—种掺杂聚合物太阳能电池，其包括依次层叠的阳极基底、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层以及阴极层；所述活性层的材质选自掺杂TiO2粉末的P3HT:PCBM、MDMO-PPV: PCBM 或者 MEH-PPV: PCBM。所述掺杂聚合物太阳能电池中所述阳极基底选自铟锡氧化物玻璃(ITO)、掺氟氧化锡玻璃(FTO)、掺铝氧化锌玻璃(AZO)或掺铟氧化锌玻璃(IZO)；所述空穴缓冲层的材质为重量比为2 : I 6 : I的聚3，4_ 二氧乙烯噻吩(PEDOT)和聚对苯磺酸盐(PSS)组成的混合材料，即PED0T:PSS ； 所述活性层中，所述TiO2的掺杂质量百分比为0. 5 5 %，所述TiO2粉末的粒径为 20_200nm。所述电子缓冲层的材质选自氟化锂(LiF)、碳酸锂(Li2CO3)、碳酸铯(Cs2CO3)、氮化铯(CsN3)、氯化锂(LiCl)、碘化锂(LiI)及溴化锂(LiBr)中的至少一种；所述阴极层的材质选自铝(Al)、银(Ag)、钙(Ca)、铜(Cu)、金(Au)及钼(Pt)中的至少一种；所述阴极层的厚度为80-200nm。本发明的另一目的在于提供上述掺杂聚合物太阳能电池的制备方法，包括如下步骤
SI、清洗阳极基底，随后对所述阳极基底的阳极层表面进行表面处理；S2、在经步骤SI表面处理过的所述阳极层表面依次层叠旋涂空穴缓冲层、活性层；其中，所述活性层的材质选自P3HT: PCBM、MDM0-PPV: PCBM或者MEH-PPV: PCBM溶液体系，且所述溶液体系中掺杂有TiO2粉末；S3、在所述活性层的表面依次层叠蒸镀电子缓冲层和阴极层；上述工艺步骤完成后，制得所述掺杂聚合物太阳能电池。上述制备方法中，步骤SI中，阳极基底的清洗处理包括依次用洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇、异丙醇各超声清洗15min，去除玻璃表面的有机污染物。上述制备方法中，步骤S2中，所述活性层的制备工艺中还包括步骤所述活性层旋涂完成后，还需在50 200°C、惰性气氛中进行退火处理10 lOOmin，或者室温下放置处理24 48h。本发明的掺杂聚合物太阳能电池，通过在活性层中添加孔隙率高、比表面积大的TiO2粉末；一方面,TiO2粉末可使太阳光在太阳能电池的功能层内发生多次反射,加强材料对光的吸收；另一方面，TiO2粉末有利于电荷的传输,可使电子的传输速率加快,提高阴极的电荷收集效率，最终提高掺杂聚合物太阳能电池的光电转换效率。
图I为本发明的掺杂聚合物太阳能电池的结构示意图；图2为本发明的掺杂聚合物太阳能电池的制备工艺流程图；图3为实施例I的掺杂聚合物太阳能电池与对比例中未掺杂聚合物太阳能电池的电流密度与电压关系曲线图。
具体实施例方式本发明提供的一种掺杂聚合物太阳能电池，如图I所示，其包括依次层叠的阳极基底11、空穴缓冲层12、活性层13、电子缓冲层14以及阴极层15 ;所述活性层13的材质选自掺杂 TiO2 粉末的 P3HT: PCBM、MDMO-PPV: PCBM 或者 MEH-PPV: PCBM,且 P3HT: PCBM、MDMO-PPV:PCBM或者MEH-PPV:PCBM为主体材料，TiO2粉末为掺杂材料。其中，P3HT为聚3-己基噻吩，MDMO-PPV为聚[2-甲氧基-5-(3，7. 二甲基辛氧基)对苯撑乙烯],MEH-PPV为聚[2-甲氧基-5-(2'-乙烯基-己氧基)聚对苯乙烯撑]，PCBM为[6，6]_苯基-C61-丁酸甲酯。
所述掺杂聚合物太阳能电池中所述阳极基11底选自铟锡氧化物玻璃(ITO)、掺氟氧化锡玻璃(FTO)、掺铝氧化锌玻璃(AZO)或掺铟氧化锌玻璃(IZO);这些阳极基底中，基底均为玻璃，而阳极层分别为铟锡氧化物、掺氟氧化锡、掺铝氧化锌、掺铟氧化锌；所述空穴缓冲层12的材质为重量比为2 : I 6 : I的PEDOT PSS ;所述空穴缓冲层的厚度为20 80nm ;其中，PEDOT为聚3，4- 二氧乙撑噻吩，PSS为聚苯乙烯磺酸钠；所述活性层13中，所述TiO2的掺杂质量百分比为0. 5 5%，所述TiO2粉末的粒径为20-200nm ;所述活性层的厚度为80 300nm ；
所述电子缓冲层14的材质选自氟化锂(LiF)、碳酸锂(Li2CO3)、碳酸铯(Cs2CO3)、氮化铯(CsN3)、氯化锂(LiCl)、碘化锂(LiI)及溴化锂(LiBr)中的至少一种；所述电子缓冲层的厚度为0. 5 IOnm ;所述电子缓冲层中，材质优选LiF，厚度优选0. 7nm ；所述阴极层15的材质选自铝(Al)、银(Ag)、钙(Ca)、铜(Cu)、金(Au)及钼(Pt)中的至少一种；所述阴极层的厚度为80 200nm ;所述阴极层中，材质优选Al，厚度优选150nmo上述掺杂聚合物太阳能电池的制备方法，如图2所示，包括如下步骤SI、先将阳极基底进行光刻处理，剪裁成所需要的大小；S2、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇、异丙醇各超声清洗阳极基底15min，去除玻璃表面的有机污染物；S3、对所述阳极基底的阳极层表面进行表面处理，这种处理可以提高功函数，降低层与层之间的注入势垒；处理工艺为功率为10 50W条件下氧等离子处理5 15min或者UV-臭氧处理5 20min ；S4、在经步骤S3表面处理过的所述阳极层表面依次层叠旋涂空穴缓冲层；S5、在所述空穴缓冲层的表面旋涂活性层；其中，所述活性层的材质选自P3HT: PCBM、MDM0-PPV: PCBM或者MEH-PPV: PCBM溶液体系，且所述溶液体系中掺杂有TiO2粉末；S6、在所述活性层的表面依次层叠蒸镀电子缓冲层；S7、在电子缓冲层表面蒸镀阴极层； 上述工艺步骤完成后，制得所述掺杂聚合物太阳能电池。上述制备方法中，步骤S4中，所述空穴缓冲层的旋涂工艺中将PEDOT: PSS水溶液通过旋涂的方式制备在阳极基底的阳极层表面，旋涂后在100 20(TC下加热干燥处理15 60min，并控制厚度在20 80nm，制得空穴缓冲层；其中，PED0T:PSS水溶液中，PED0T:PSS为溶质，其质量百分比为I 5%，且PEDOT PSS的重量比为2 : I 6 : I;优选地，PEDOT PSS的重量比为6 1，PEDOT PSS的质量百分比为I. 3%，加热干燥处理温度200°C，加热干燥处理时间30min，厚度为40nm。上述制备方法中，步骤S5中，所述活性层的旋涂工艺中在P3HT: PCBM、MDMO-PPV: PCBM 或者 MEH-PPV: PCBM 溶液体系中，溶质分别为P3HT: PCBM、MDMO-PPV: PCBM或者MEH-PPV: PCBM,溶剂为甲苯、二甲苯、氯苯或氯仿的一种或两种混合溶剂，且溶质P3HT:PCBM、MDMO-PPV:PCBM或MEH_PPV:PCBM的总浓度控制在8 30mg/ml ；Ti02粉末的掺杂质量百分比为0. 5 5%、TiO2粉末的粒径为20_200nm ；
在P3HT:PCBM、MDMO-PPV: PCBM 或者 MEH_PPV:PCBM 溶液体系中，P3HT:PCBM、MDMO-PPV: PCBM或者MEH-PPV: PCBM为主体材料，TiO2粉末为掺杂材料；当活性层的材质选自P3HT:PCBM溶液体系掺杂TiO2粉末时，P3HT PCBM的质量比控制在I : 0. 8 I : I的范围；当活性层的材质选自MDMO-PPV: PCBM或者MEH-PPV: PCBM溶液体系掺杂TiO2粉末时，MDMO-PPV:PCBM或者MEH-PPV:PCBM的质量比控制在I : I I : 4的范围；将粒径为20nm的锐钛矿经研磨混合、450°C下马弗炉中煅烧30min、冷却研磨后获得粒径为20-200nm的TiO2粉末。 上述制备方法中，步骤S5中，所述活性层的制备工艺中还包括步骤所述活性层旋涂完成后，还需在50 200°C下、惰性气氛中对所述活性层进行退火处理10 IOOmin ；或者室温下放置处理24 48h。本发明的掺杂聚合物太阳能电池，通过在活性层中添加孔隙率高、比表面积大的TiO2粉末；一方面,TiO2粉末可使太阳光在太阳能电池的功能层内发生多次反射,加强材料对光的吸收；另一方面，TiO2粉末有利于电荷的传输,可使电子的传输速率加快,提高阴极的电荷收集效率，最终提高掺杂聚合物太阳能电池的光电转换效率。下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。下述实施例I 8中，将粒径为20nm的锐钛矿经研磨混合、450°C下马弗炉中煅烧30min、冷却研磨后获得粒径为20-200nm的TiO2粉末。实施例I本实施例I中的掺杂聚合物太阳能电池的结构为IT0/PED0T:PSS/P3HT:PCBM:Ti02/LiF/Al。该掺杂聚合物太阳能电池的制备工艺步骤如下I、先将ITO进行光刻处理，剪裁成所需要的大小；2、对步骤I得到的ITO依次用洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇、异丙醇各超声清洗15min，去除玻璃表面的有机污染物；3、在清洗干净的ITO的阳极层表面进行表面处理，如，功率为35W条件下，氧等离子处理时间为5min ；4、在经表面处理过的阳极层表面旋涂空穴缓冲层材料为PED0T:PSS水溶液，PEDOT PSS的重量比为6 LPEDOT PSS的质量百分比为I. 3%，旋涂PED0T:PSS水溶液后，于200°C下加热30min，控制空穴缓冲层的厚度为40nm ；5、在空穴缓冲层的表面旋涂活性层主体材料为P3HT:PCBM的甲苯溶液体系，掺杂材料为TiO2粉末，且掺杂的质量百分比为I %，TiO2粉末的粒径为20-200nm ；在P3HT:PCBM甲苯溶液体系中，P3HT PCBM质量比为I 1，P3HT:PCBM的总浓度为24mg/ml ;活性层是在充满氮气的手套箱中进行旋涂完成的，旋涂结束后，活性层需在150°C下退火15min，并控制活性层厚度为140nm ；6、在所述活性层表面蒸镀电子缓冲层材料为LiF，厚度为0. Ixm ；7、接着在电子缓冲层表面蒸镀阴极层材料为Al，厚度为80nm ；上述工艺结束后，得到所需要的掺杂聚合物太阳能电池。图3为实施例I的掺杂聚合物太阳能电池与对比例中未掺杂聚合物太阳能电池的电流密度与电压关系曲线图；其中，曲线I为对比例中未掺杂聚合物太阳能电池(其结构为IT0/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/LiF/A)的电流密度-电压曲线，曲线2为实施例I的掺杂聚合物太阳能电池的电流密度-电压曲线；根据附图3可以知道，当电压为O时，实施例I的掺杂聚合物太阳能电池的短路电流较大，如在电压为0. 6V的时候，对比例的电流密度为
3.ImA cm_2，而实施例I的电流密度为4. ImA cm_2，在电压为0. 3V的时候，对比例的电流密度为6. 5mA ^nT2,而实施例I的电流密度为8. ImA cnT2,这就说明,掺杂之后的掺杂聚合物太阳能电池可以获得更高的电子传输速率，从而提高电流密度。实施例I和对比例的光电流测试数据，如表I所示表I
权利要求
1.一种掺杂聚合物太阳能电池，其特征在于，其包括依次层叠的阳极基底、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层以及阴极层；所述活性层的材质选自掺杂TiO2粉末的P3HT:PCBM、MDMO-PPV: PCBM 或者 MEH-PPV: PCBM。
2.根据权利要求I所述的掺杂聚合物太阳能电池，其特征在于，所述阳极基底选自铟锡氧化物玻璃、掺氟氧化锡玻璃、掺铝氧化锌玻璃或掺铟氧化锌玻璃。
3.根据权利要求I所述的掺杂聚合物太阳能电池，其特征在于，所述空穴缓冲层的材质为重量比为2 : I 6 : I的聚3，4-二氧乙烯噻吩与聚对苯磺酸盐组成的混合材料。
4.根据权利要求I所述的掺杂聚合物太阳能电池，其特征在于，所述活性层中，所述TiO2粉末的掺杂质量百分比为0. 5 5%。
5.根据权利要求I或4所述的掺杂聚合物太阳能电池，其特征在于，所述TiO2粉末的粒径为20-200nm。
6.根据权利要求I所述的掺杂聚合物太阳能电池，其特征在于，所述电子缓冲层的材质选自氟化锂、碳酸锂、碳酸铯、氮化铯、氯化锂、碘化锂及溴化锂中的至少一种。
7.根据权利要求I所述的掺杂聚合物太阳能电池，其特征在于，所述阴极层的材质选自铝、银、钙、铜、金及钼中的至少一种。
8.一种掺杂聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤 51、清洗阳极基底，随后对所述阳极基底的阳极层表面进行表面处理； 52、在经步骤SI表面处理过的所述阳极层表面依次层叠旋涂空穴缓冲层、活性层；其中，所述活性层的材质选自P3HT: PCBM、MDMO-PPV: PCBM或者MEH-PPV: PCBM溶液体系，且所述溶液体系中掺杂有TiO2粉末； 53、在所述活性层的表面依次层叠蒸镀电子缓冲层和阴极层； 上述工艺步骤完成后，制得所述掺杂聚合物太阳能电池。
9.根据权利要求8所述的掺杂聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤SI中，所述阳极基底的清洗处理包括依次用洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇、异丙醇各超声清洗15min。
10.根据权利要求8所述的掺杂聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述活性层的旋涂工艺中还包括步骤所述活性层旋涂完成后，还需在50 200°C、惰性气氛中进行退火处理10 lOOmin，或者室温下放置处理24 48h。
全文摘要
本发明属于太阳能电池领域，其公开了一种掺杂聚合物太阳能电池及其制备方法；该掺杂聚合物太阳能电池依次层叠的阳极基底、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层以及阴极层；且所述活性层的材质选自掺杂TiO2粉末的P3HT:PCBM、MDMO-PPV:PCBM或者MEH-PPV:PCBM。本发明的掺杂聚合物太阳能电池，通过在活性层中添加孔隙率高、比表面积大的TiO2粉末；一方面，TiO2粉末可使太阳光在太阳能电池的功能层内发生多次反射，加强材料对光的吸收；另一方面，TiO2粉末有利于电荷的传输，可使电子的传输速率加快，提高阴极的电荷收集效率，最终提高掺杂聚合物太阳能电池的光电转换效率。
文档编号H01L51/42GK102983278SQ20111026414
公开日2013年3月20日 申请日期2011年9月7日 优先权日2011年9月7日
发明者周明杰, 王平, 黄辉, 陈吉星 申请人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技术有限公司